繊維「バーコード」で長持ちする衣類ラベルを作成可能

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米国では、毎年推定 1,500 万トンの繊維が埋立地に捨てられるか、焼却されています。 この廃棄物は、1 年間に生産される繊維製品の 85% に相当し、環境問題が深刻化しています。 2022年、マサチューセッツ州はリサイクル率の向上を目指し、繊維製品のゴミ捨てを禁止する法律を制定した最初の州となった。

しかし、繊維のリサイクルは必ずしも簡単ではありません。 そのままでは再販できないものは、生地の種類ごとに分別する施設に送られます。 手作業での仕分けは多大な労力を要し、ラベルが擦り切れたり紛失したりするとさらに困難になります。 生地の化学的性質を分析するより高度な技術では、ほとんどの衣類を構成する生地混紡の素材を特定するのに十分な精度が得られないことがよくあります。

この選別プロセスを改善するために、MIT リンカーン研究所とミシガン大学のチームは、生地にラベルを付ける新しい方法を提供しています。それは、加工された反射率を備えた繊維を生地に織り込むことです。 このファイバーは特定の赤外線下でのみ反射します。 スキャン時にファイバーが反射する光の波長に応じて、リサイクル業者はファイバーがどのタイプの生地を表しているかを知ることができます。 本質的に、ファイバーは製品を識別するための光学バーコードのように機能します。

「生地の種類を簡単に識別し、流通過程で分類する方法があれば、リサイクルプロセスの規模を拡大するのに役立つ可能性があります。私たちは、衣服のライフサイクル後に別の用途に使用できる素材を特定する方法を見つけたいと考えています」とエリン・ドーラン氏は言います。最近『Advanced Materials Technologies』誌に発表されたチームの研究の共著者。

糸を引く

Doran は、リンカーン研究所の Defense Fabric Discovery Center (DFDC) の繊維専門家です。 そこで彼女は、先端材料およびマイクロシステム グループの研究者と協力して、小さな電子機器やセンサーが組み込まれた繊維を統合することによって「未来の布地」を製造しています。

ミシガン大学では、この研究の筆頭著者であるブライアン・イエッツィ氏は、繊維のリサイクル性を向上させる方法を研究していました。 ミシガン大学のシャテイン研究所での彼の研究は、フォトニクスをファイバーベースのデバイスに応用することに焦点を当てています。 そのようなデバイスの 1 つは構造カラー ファイバーと呼ばれるもので、20 年以上前にヨエル フィンク教授の研究チームによって MIT で初めて開発されたフォトニック ファイバーの一種です。 これは、今日の DFDC の専門分野の 1 つです。

「これは完璧な鏡のように機能する繊維です」と、研究論文の共著者であるDFDC研究者のブラッドフォード・パーキンス氏は言う。 「特定の素材を重ねることで、特定の波長を反射するようにこのミラーを設計できます。この場合、生地内の他の素材の光学特性よりも目立つ波長での反射が必要になります。一般的な生地では暗くなる傾向があります。素材は赤外線を吸収します。」

ファイバーはプリフォームと呼ばれるポリマーのブロックとして始まります。 チームは、アクリルとポリカーボネートの 50 層以上の交互層を含むプリフォームを慎重に構築しました。 次にプリフォームは加熱され、タワーの頂上からタフィーのように引っ張られます。 各層の厚さは最終的に 1 ミクロン未満になり、組み合わせて布地の従来の糸と同じサイズの繊維が生成されます。

それぞれの層は透明ですが、2 つの素材を組み合わせることで光を反射および吸収し、色のように見える光学効果を生み出します。 これは、蝶の羽に豊かできらめく色を与えるのと同じ効果です。

「蝶の羽は自然界の構造色の一例です」と共著者で同じくリンカーン研究所のTairan Wang氏は言う。 「それらをよく見ると、実際には、光を散乱させるナノ構造のパターンを持つ材料の鞘です。これは、私たちが繊維で行っていることと同様です。」

研究者は、ファイバーの描画速度を制御することで、特定の周期的な範囲の波長を反射および吸収するようにファイバーを「調整」し、各ファイバーに固有の光学バーコードを作成できます。 このバーコードは、対応する生地の種類 (たとえば、1 つは綿を象徴し、もう 1 つはポリエステルを象徴) に割り当てることができます。 繊維は、生地の製造時に生地に織り込まれ、その後衣類に使用され、最終的にはリサイクルされます。

目を引く蝶の羽のデザインとは異なり、繊維は派手なものではありません。 「それらは生地の数パーセントにも満たないでしょう。赤外線検出器が開発されるまでは、誰もそこにそれらが存在するとは言えません」とパーキンス氏は言う。

研究者らによると、検出器はリサイクル業界でプラスチックの選別に使用される種類のものを応用できる可能性があるという。 これらの検出器は同様に赤外線センシングを使用して、さまざまなポリマーの固有の光学的特徴を識別します。

今後試着してみる

現在、チームは自社の技術に関する特許保護を申請しており、Iezzi 氏は商業化に向けて進む方法を検討しています。 この研究で製造された繊維は衣類の繊維に比べてまだわずかに厚いため、必要な波長での反射率を維持しながら繊維をさらに薄くすることが継続的な研究分野です。

探求すべきもう 1 つの方法は、繊維をより縫い糸に近づけることです。 こうすることで、特定の種類の生地に織り込むときに見た目や感触に影響を与える可能性がある場合に、衣服に縫い付けることができます。

研究者らはまた、構造色繊維が染料からの有毒廃棄物など、繊維産業における他の環境問題への取り組みにどのように役立つかについても考えている。 このような繊維を使用して、決して色あせない色が本質的に染み込んだ生地を作ることを想像することもできます。

「電子繊維市場も拡大する中、リサイクル可能性を考慮することは私たちにとって重要です。このアイデアは、繊維リサイクルプロセス中にチップや金属を回収する道を開く可能性があります。」 ドランは言います。 「持続可能性は将来の大きな部分を占めており、このビジョンに協力することができてとても興奮しています。」

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